Озон та життя

Оз+ NО = NО2 + О2,

NO2 + О = NО + О2.

Результат — відновлення молекули моноксиду азоту та розклад молекул озону за такою спрощеною схемою Оз + О —> О2 + О2. Отже, молекула моноксиду азоту прискорює швидкість розпаду озону у стратосфері, не змінюючи свого хімічного стану. Тож моноксид азоту є каталізатором реакції розпаду озону в стратосфері Землі. До речі, не один лише моноксид азоту має такі властивості, про що йдеться далі.

Наслідком розглянутих вище процесів утворення та розпаду озону стає озоновий профіль атмосфери. Велика швидкість розпаду озону через поглинання ультрафіолетового випромінювання Сонця на висотах 40—90 км приводить до того, що максимальна його кількість спостерігається в межах 20—ЗО км, де число молекул в одному кубічному сантиметрі досягає 5 • 1012. При зменшенні висоти над рівнем моря густина озону зменшується, а середня кількість його молекул у кожному кубічному сантиметрі повітря біля по­верхні Землі близька до 6 • 10". На перший погляд це здається досить великим числом. Насправді ж на рівні моря кожна молекула озону припадає на 25 млн інших молекул газів, що входять до складу атмосфери. Концентрація озону є найменшою внизу і чим вище він буде над рівнем, тим більше зростає (майже в 250 разів), досягаючи м мального значення в 10~5 на висоті 35 км. Там кожна з 100 тис. молекул — молекула озону, це теж не дуже багато. Хоч названий газ і має надлишкову енергію, але вона по собі не така вже й велика. При миттєвому розпаді озону на висотах його максимальної концентрації виділилася б така кількість енергії, якої вистачило б тільки на підвищення температури атмосфери в цій зоні на . 0,1 градуса. Велике ж підвищення температури повітря на цих висота пов'язане з виділенням за посередництвом озону енергії ультрафіолетової ділянки сонячного випромінювання.

Спостереження протягом десятиріччя за шаром озону переконують, що його середня товщина шару лишається практично сталою і лише в останні роки помітне повільне зменшення. А от його миттєва кількість над певним пунктом земної поверхні може змінюватися наполовину, а інколи й більше. Це пов'язано з горизонтальним переміщенням, підніманням або опусканням окремих повітряних мас з істотно різною концентрацією озону. Від однієї пори року до іншої кількість озону над певним місцем змінюється в межах 10 %, а середньорічна залежить від активності Сонця. 1989 рік був роком максимальної активності останнього і найбільшої кількості озону в атмосфері нашої планети. Точні виміри кількості озону вимагають акуратності та численних вимірів у багатьох точках Землі. Яка ж загальна кількість озону в озоновому щиті? Надзвичайно мала: маса Оз= 3 — 5-10т.

За одиницю кількості озону над даним місцем земної поверхні умовилися брати шар озону товщиною 0,01 мм (10 мікрометрів). Ця одиниця названа «добсон» (Дб) на честь професора Оксфордського університету Добсона, який заслужив повагу наукової громадськості своїми багаторічними вимірюваннями характеристик озонового шару. Зі сказаного вище випливає, що середня кількість озону становить від 200 до 300 добсонів.

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ОЗОНУ

Це слово в перекладi з грецької мови означає «пахучий», «запашний», «той, що пахне». Кожен is нас вiдчував характерний рiзкий запах цього синюватого газу після грози з частими блискавкам чи при перебуванні бiля пристроїв або машин (в момент утворення iскор у відкритому повітрi). Втiм, що речовини перебувають у газовому станi лише при температурах, сприятливих для життя людини. Озон можна перетворити у рiдину при охолодженні до —111,9 "С, а при вищих температурах він перебуває вже в газоподiбному стані. Максимальна температура рідкого кисню (О2) при атмосферному тиску (температура його кипіння) становить—183 "С.

Хімічний елемент кисень існує в атмосфері в вигляді трьох алотропічних видоизмін: О2 — молекулярному, О — атомарному и О3 — трьохатомному, що власне і називається озоном та утворюється при хімічному зєднанні перших двох. Тому більшість властивостей молекули озону можна зрозуміти краще, виходячи з властивостей мо­лекулярного й атомарного кисню.

На основі вивчения спектральних властивостей озону були отримані дані про будову його молекули. Молекула О3 стала класичним прикладом використання спек­тральных даних для розрахунків довжин звязків та розмірів центрального кута. Відповідно до загальноприйнятої моделі молекули О ,, атоми в ній розташовуються у вершинах рівнобедреного тупо­кутного трикутника, причому відстані між атомами дорівнюють (1,278 ±0,003)-10"" см, а значення центрального кута складає 116°50' ±30'. Маса молекулы 0^3' складає 7,97.'1023 г.

В молекулу озону можуть входити атоми більш важких ізотопів кисню О17 и О18. За наближеними оцінками в атмосферному озоні знаходиться біля 0,21"" молекул О^О^О'" та 0,41 "о молекул О^О^О".

Газоподібний озон при стандартних температурі та тиску має щільність рдц = 2,144- 10"3 г-см"3. Теплоємність газу Ср зменшується із зниженням температури: при 473 К с = = 904 Дж- кг-1. К-1, при 273 К с„ - 795 "Дж. кг-1- К-1, при 100 К Ср =-- 690 Дж.кг-^К-1.

Озон перетворюється на рідину при температурі 161,3 К (температура кипіння) в темно-синю рідину з щільністю 1,46 г-см~3. Питома теплота випаровування рідини 316 000 Дж-кг"1. При температурі 90 К рідкий озон має щільність 1,57 г см~3, а безпосередньо перед затвердінням його щільність складає 1,614 г-см~3. Температура затвердіння, за даними різних авторів, відрізняється на 2—3 К та складає приблизно 78 К. Тверда кристалічна структура має темно-фіолетовий колір.

Характерний запах озону відчувається при концентрации \0~^ °о. Деякі вважають присутність запаху озону показником чистоти повітря. Як показують біологічні й медичні досліди - озон — сильнодіюча отрута, що крім загальнотоксичної дії, ще має такі властивості як мутагенність, канцерогенність, радіомиметричний эффект). За токсичністю озон перевищує, наприклад, синільную кислоту.

Озоно-кисневі суміші вибухонебезпечні при концентраціях озону від 20 до 100%. Саме вибухонебезпечність концентрованних сумішей озону довгий час була основною перешкодою вивченню його фізичних та хімічних властивостей. Не дивлячись на те, що промислове виробництво озону існувало ще з початку XX ст., найбільш фундаментальні властивості його молекули були вивчені тільки в 50-х рр., коли в багатьох країнах були зроблені спроби використання концентрованого озону як окиснювача в ракетних системах.

Потенціал іонізації озону 2,8 эВ, сродство до электрону за різними даними 1,9 . 2,7 эВ, тобто достатньо сильно (більш сильне мають тільки фтор та його оксиди, а також нестабільні частки— атоми та вільні радикали).

Озон досить нестійкий у великих концентраціях може розкладатися з вибухом, тому цілком безпечне його зберiгання вимагає низьких температур. відомо, що людина не може iснувати в атмосферi з чистого кисню. Певний час, щоб зменшити масу своїх пiлотованих космiчних апаратiв, американці використовували r них чисто кисню атмосферу, але вiдмовилися вiд цього через надто велику небезпеку пожеж. До речi, людинi корнсна невелика концентрацiя озону в повiтрi, але велика кiлькiсть його стае смертельно небезпечною.